Auf der Suche nach Effizienz. - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:17

BUCK-Konverter auf "DPAK"-Größe

In der Regel benötigen die Einsteiger in der Designerelektronik oder ein Bastler einen Spannungsregler in Leiterplatten oder ein Steckbrett. Leider verwenden wir der Einfachheit halber einen linearen Spannungsregler, der jedoch nicht ganz schlecht ist, da es immer auf die Anwendung ankommt.

Zum Beispiel wird in analogen Präzisionsgeräten (wie Messgeräten) immer besser ein linearer Spannungsregler verwendet (um Rauschprobleme zu minimieren). In leistungselektronischen Geräten wie einer Lampen-LED oder einem Vorregler für die Linearreglerstufe (zur Verbesserung der Effizienz) ist es jedoch besser, einen DC/DC-BUCK-Wandlerspannungsregler als Hauptversorgung zu verwenden, da diese Geräte einen besseren Wirkungsgrad als ein Linearregler haben in Hochstromausgängen oder Last hart.

Eine andere nicht so elegante, aber schnelle Möglichkeit besteht darin, DC / DC-Wandler in vorgefertigten Modulen zu verwenden und diese einfach auf unsere Leiterplatte zu legen, aber dadurch wird die Platine viel größer.

Die Lösung, die ich dem Bastler oder Elektronik-Anfänger vorschlage, verwendet einen Modul-DC/DC-BUCK-Wandler, der ein Modul ist, das oberflächenmontiert ist, aber Platz spart.

Lieferungen

• 1 Buck-Schaltwandler 3A --- RT6214.
• 1 Induktivität 4,7uH/2,9A --- ECS-MPI4040R4-4R7-R
• 4 Kondensator 0805 22uF/25V --- GRM21BR61E226ME44L
• 2 Kondensator 0402 100nF/50V --- GRM155R71H104ME14D
• 1 Kondensator 0402 68pF/50V --- GRM1555C1H680JA01D
• 1 Widerstand 0402 7,32k --- CRCW04027K32FKED
• 3 Widerstand 0402 10k --- RC0402JR-0710KL

Schritt 1: Auswahl des besten Reiters

Auswählen des DC/DC-BUCK-Wandlers

Der erste Schritt bei der Entwicklung eines DC/DC-Abwärtswandlers besteht darin, die beste Lösung für unsere Anwendung zu finden. Die schnellere Lösung besteht darin, einen Schaltregler anstelle eines Schaltreglers zu verwenden.

Der Unterschied zwischen diesen beiden Optionen wird unten gezeigt.

Schaltregler

1. Oft sind sie monolithisch.
2. Die Effizienz ist besser.
3. Sie unterstützen keine sehr hohen Ausgangsströme.
4. Sie sind leichter zu stabilisieren (erfordern nur eine RC-Schaltung).
5. Der Benutzer benötigt nicht viel Wissen über den DC/DC-Wandler, um das Schaltungsdesign zu erstellen.
6. Sind vorkonfiguriert, um nur in einer bestimmten Topologie zu arbeiten.
7. Der Endpreis ist niedriger.

Zeigen Sie unten ein Beispiel, das durch einen Schaltregler reduziert wurde [Das erste Bild in diesem Schritt].

Schaltregler

1. Erfordern viele externe Komponenten wie MOSFETs und Dioden.
2. Sie sind komplexer und der Benutzer benötigt mehr Wissen über DC/DC-Wandler, um das Schaltungsdesign zu erstellen.
3. Sie können mehr Topologien verwenden.
4. Unterstützt einen sehr hohen Ausgangsstrom.
5. Der Endpreis ist höher.

Unten zeigen Sie eine typische Anwendungsschaltung eines Schaltreglers [Das zweite Bild in diesem Schritt]

• Unter Berücksichtigung der folgenden Punkte.

  1. Kosten.
  2. Space [Die Leistung ist davon abhängig].
  3. Leistung.
  4. Effizienz.
  5. Komplexität.

In diesem Fall verwende ich einen Richtek RT6214 [A für den kontinuierlichen Modus ist besser für die harte Last, und die Option B, dass er im diskontinuierlichen Modus arbeitet, was besser für leichte Lasten ist und die Effizienz bei niedrigen Ausgangsströmen verbessert], das ist ein DC /DC-Abwärtswandler monolithisch [und daher benötigen wir keine externen Komponenten wie Leistungs-MOSFETs und Dioden Schottky, da der Wandler über integrierte MOSFET-Schalter und andere funktionierende MOSFETs wie Diode verfügt].

Ausführlichere Informationen finden Sie unter den folgenden Links: Buck_converter_guide, Comparing Buck Converter Topologies, Buck Converter Selection Criteria

Schritt 2: Der Induktor ist Ihr bester Verbündeter im DC/DC-Wandler

Den Induktor verstehen [Analyse des Datenblatts]

In Anbetracht des Platzes auf meiner Schaltung verwende ich einen ECS-MPI4040R4-4R7-R mit einem 4,7uH, einem Nennstrom von 2,9A und einem Sättigungsstrom von 3,9A und einem Gleichstromwiderstand von 67m Ohm.

Nennstrom

Der Nennstrom ist der Stromwert, bei dem die Induktivität die Eigenschaften wie Induktivität nicht verliert und die Umgebungstemperatur nicht signifikant erhöht.

Sättigungsstrom

Der Sättigungsstrom im Induktor ist der Stromwert, bei dem der Induktor seine Eigenschaften verliert und keine Energie in einem Magnetfeld speichert.

Größe vs Widerstand

Sein normales Verhalten, dass Platz und Widerstand voneinander abhängig sind, denn wenn es Platz spart, müssen wir Platz sparen, indem wir den AWG-Wert im Magnetdraht reduzieren, und wenn ich den Widerstand verlieren möchte, sollte ich den AWG-Wert im Magnetdraht erhöhen.

Eigenresonanzfrequenz

Die Eigenresonanzfrequenz wird erreicht, wenn die Schaltfrequenz die Induktivität aufhebt und erst jetzt die parasitäre Kapazität existiert. Viele Hersteller empfahlen, die Schaltfrequenz einer Induktivität mindestens ein Jahrzehnt unter der Eigenresonanzfrequenz aufrechtzuerhalten. Zum Beispiel

Eigenresonanzfrequenz = 10MHz.

f-Schaltung = 1MHz.

Dekade = log[Basis 10](Selbst - Resonanzfrequenz / f - Schalten)

Dekade = log[Basis 10](10MHz / 1MHz)

Jahrzehnt = 1

Wenn Sie mehr über Induktivitäten wissen möchten, überprüfen Sie bitte die folgenden Links: Self_resonance_inductor, Saturation_current_vs nominal_current

Schritt 3: Der Induktor ist das Herz

Auswahl des idealen Induktors

Die Induktivität ist das Herzstück von DC/DC-Wandlern, daher ist es äußerst wichtig, die folgenden Punkte zu beachten, um eine gute Leistung des Spannungsreglers zu erzielen.

Der Ausgangsstrom von Reglerspannung, Nennstrom, Sättigungsstrom und Welligkeitsstrom

In diesem Fall stellt der Hersteller Gleichungen zur Verfügung, um die ideale Induktivität nach Welligkeitsstrom, Spannungsausgang, Spannungseingang, Schaltfrequenz zu berechnen. Die Gleichung ist unten gezeigt.

L = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-Schalten x Welligkeitsstrom.

Welligkeitsstrom = Vout (Vin-Vout) / Vin x f-Schalten x L.

IL(Spitze) = Iout(Max) + Welligkeitsstrom / 2.

Anwenden der Welligkeitsstromgleichung auf meine Induktivität [Die Werte sind im vorherigen Schritt] werden die Ergebnisse unten gezeigt.

Vin = 9V.

Vout = 5V.

f-Umschaltung = 500kHz.

L = 4,7 µH.

Iout = 1,5A.

Idealer Welligkeitsstrom = 1,5A * 50%

Idealer Welligkeitsstrom = 0,750A

Welligkeitsstrom = 5V (9V - 5V) / 9V x 500kHz x 4,7uH

Welligkeitsstrom = 0,95A*

IL(Spitze) = 1,5A + 0,95A / 2

IL(Spitze) = 1,975A**

*Wird empfohlen, den Welligkeitsstrom in der Nähe von 20% - 50% des Ausgangsstroms zu verwenden. Dies ist jedoch keine allgemeine Regel, da es von der Reaktionszeit des Schaltreglers abhängt. Wenn wir eine schnelle Reaktionszeit benötigen, sollten wir eine niedrige Induktivität verwenden, da die Ladezeit der Induktivität kurz ist, und wenn wir eine langsame Reaktionszeit benötigen, sollten wir eine hohe Induktivität verwenden, da die Ladezeit lang ist und damit die EMI reduzieren.

**Der vom Hersteller empfohlene Wert überschreitet nicht den maximalen Talstrom, der das Gerät unterstützt, um eine sichere Reichweite aufrechtzuerhalten. In diesem Fall beträgt der maximale Talstrom 4,5 A.

Diese Werte können unter folgendem Link eingesehen werden: Datasheet_RT6214, Datasheet_Inductor

Schritt 4: Die Zukunft ist jetzt

Verwenden Sie REDEXPERT, um die beste Induktivität für Ihren Abwärtswandler auszuwählen

REDEXPERT ist ein großartiges Tool, wenn Sie wissen möchten, welcher Induktor am besten für Ihren Abwärtswandler, Aufwärtswandler, Sepic-Wandler usw. geeignet ist. Dieses Tool unterstützt mehrere Topologien, um Ihr Induktorverhalten zu simulieren, aber dieses Tool unterstützt nur Teilenummern von Würth Electronik. In diesem Tool können wir in Diagrammen das Temperaturinkrement gegenüber dem Strom und die Verluste der Induktivität gegenüber dem Strom im Induktor anzeigen. Es benötigt nur einfache Eingabeparameter wie unten gezeigt.

• Eingangsspannung
• Ausgangsspannung
• aktueller Output
• Schaltfrequenz
• Welligkeitsstrom

Der Link ist der nächste: REDEXPERT Simulator

Schritt 5: Unser Bedarf ist wichtig

Berechnung der Ausgabewerte

Es ist sehr einfach, die Ausgangsspannung zu berechnen, wir müssen nur einen Spannungsteiler definieren, der durch die folgende Gleichung definiert wird. Nur wir brauchen einen R1 und definieren einen Spannungsausgang.

Vref = 0,8 [RT6214A/BHGJ6F].

Vref = 0,765 [RT6214A/BHRGJ6/8F]

R1= R2 (Vout - Vref) / Vref

Nachfolgend ein Beispiel mit einem RT6214AHGJ6F.

R2 = 10.000.

Vout = 5.

Vref = 0,8.

R1 = 10k (5 - 0,8) / 0,8.

R1 = 52,5 k

Schritt 6: Großartiges Werkzeug für einen großartigen Elektronik-Designer

Verwenden Sie die Werkzeuge des Herstellers

Ich habe die Simulationstools von Richtek verwendet. In dieser Umgebung können Sie das Verhalten des DC/DC-Wandlers bei der stationären Analyse, der transienten Analyse und der Anlaufanalyse anzeigen.

Und die Ergebnisse können in den Bildern, Dokumenten und der Videosimulation eingesehen werden.

Schritt 7: Zwei sind besser als eins

PCB-Design in Eagle und Fusion 360

Das PCB-Design wird auf Eagle 9.5.6 in Zusammenarbeit mit Fusion 360 erstellt. Ich synchronisiere das 3D-Design mit dem PCB-Design, um eine echte Ansicht des Schaltungsdesigns zu erhalten.

Nachfolgend sind die wichtigen Punkte zum Erstellen einer Leiterplatte in Eagle CAD gezeigt.

• Bibliothek erstellen.
• Schematisches Design.
• PCB-Design oder Layout-Design
• Generieren Sie eine echte 2D-Ansicht.
• Fügen Sie dem Gerät im Layoutdesign ein 3D-Modell hinzu.
• Synchronisieren Sie das Eagle-PCB mit Fusion 360.

Hinweis: Alle wichtigen Punkte werden durch Bilder veranschaulicht, die Sie zu Beginn dieses Schrittes finden.

Sie können diese Schaltung im GitLab-Repository herunterladen:

Schritt 8: Ein Problem, eine Lösung

Versuchen Sie immer, alle Variablen zu berücksichtigen

Das Einfachste ist nie besser… Das habe ich mir gesagt, als mein Projekt auf 80 °C heizte. Ja, wenn Sie einen relativ hohen Ausgangsstrom benötigen, verwenden Sie keine Linearregler, da diese viel Leistung verbrauchen.

Mein Problem… der Ausgangsstrom. Die Lösung… verwendet einen DC/DC-Wandler, um einen linearen Spannungsregler in einem DPAK-Gehäuse zu ersetzen.

Aus diesem Grund habe ich das Buck DPAK-Projekt genannt

Schritt 9: Fazit

DC/DC-Wandler sind sehr effiziente Systeme zur Spannungsregelung bei sehr hohen Strömen, bei niedrigen Strömen sind sie jedoch im Allgemeinen weniger effizient, aber nicht weniger effizient als ein Linearregler.

Heutzutage ist es sehr einfach, einen DC / DC-Wandler zu konstruieren, da die Hersteller die Art und Weise, wie sie gesteuert und verwendet werden, erleichtert haben.